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知识补充：大数据与移动互联网、物联网以及传统互联网《物联网关键技术》——物联网技术概论老子曰：“不出户知天下，不窥牗见天道。其出弥远，其知弥少。是以圣人不行而知，不见而名，不为而成。”物联网正是可以实现这种境界。物联网的本事是互联网的落地，即进一步实现物物相连。在安全、健康、能源、效率、环境等等方面依然存在着巨大的隐患问题。物联网的发展，能大大促进当前以效率、节能、环保、安全、健康为可信的全球信息化发展，例如智能交通、电子医疗、智能电网等等技术应用的成熟。物联网（IOT,InternetofThings）。也是“传感网”在国际上的通称。通俗地讲，物联网就是万物都可以上网，物体通过装入射频识别设备、红外感应器、全球定位系统或其他方式进行连接，然后接入到互联网或移动通信网络，最终形成智能网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理。PS：美国IBM公司“智慧地球”，日本和韩国分别提出“U-JAPAN”和“U-KOREA”战略。中国提出“感知中国”的发展策略。从技术的角度讲，物联网应该具备3个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时、准确的传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化控制。这三个特征也提供了物联网体系结构划分的基础。物联网体系结构感知层————网络层————应用层1.感知层：智能终端和智能小物体（传感器）。2.网络层：编码寻址（IPV4,IPV6）和统一管理（针对多样格式的数据）。3.应用层：应用支撑平台子层和应用服务子层。“三网结合”即传感网、互联网和通信网互相结合=物联网。物联网总体架构1.在感知层：物联网终端形态包括普通物联网终端、M2M终端、感知接入网关、感知子网节点、终端外设及卡识读物。2.在网络层：主要包括接入网、传输网、核心网、业务网、网管系统和业务支撑系统。3.在应用层：要求应用系统通过统一接口来实现与感知层的通信。物联网核心技术物联网的结构大致可以分为三个层次：首先是传感网络，以二维码、RFID（射频识别技术）、传感器为主，实现“物”的识别；其次是传输网络，通过现有的互联网，广电网络、通信网络或者未来的NGN（下一代网络），实现数据的传输与计算；第三是应用网络，即输入/输出控制终端，可基于现有的手机、PC等终端进行。物联网与泛在网概念的差异泛在网（UbiquitousNetwork）是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供凡在的、无所不含的信息服务和应用。泛在网具有比物联网更广泛的内涵。表1传感网、物联网及泛在网三者的比较物联网的行业应用应用场景：城市安全管控、城市环境管控、城市能源管控（楼宇设施能源管理和IT设施能源管理）、家庭数字生活等。定义终端基础网络通信对象标准化组织传感网实现传感器的互联和信息收集传感器物对物ISO/IEC物联网将各种信息传感设备如RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等与互联网结合，实现对所有物品的智能化识别与管理传感器、RFID、二维码、内置移动通信的各种模块一个或多个基础网络物对物、物对人IEEEETSIEPCGlobal泛在网通过网络的泛在互联、实现物与物、物与人、人与人之间按需的信息获取、传递、储存、认知、分析、使用等服务，强调人机自然交互、异构网络融合和智能应用传感器、RFID、二维码、内置移动通信的各种模块、手机、上网卡等所有的网络物对物、物对人、人对人ITU3GPPGSMAOMA影响物联网发展的因素1、物联网协议问题：在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别繁多，GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA、WCDMA、有线等等多种通道。物联网需要一个同意的协议基础。2、个人隐私与数据安全3、网关形态4、产业链复杂，需要整合5、公众信任6、标准化7、系统开放8、研究发展物联网发展步骤预计物联网的发展情况将会分为以下几个阶段：1、2009~2012：物联网市场规模小，主要以M2M的形态出现2、2013~2015：M2M开始有一定规模，物联网有了一定规模的企业应用。承载网络也需要一定升级以适应大量的M2M及物联网应用，市场需求增加。3、2016往后，物联网行业应用数量激增，已广泛渗透到大中企业，家庭应用。——无线传感器网络无线传感器网络（WSN,WirelessSensorNetworks）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时检测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳中继①方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络的发展历史1.简单传感器网络：20世纪70年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输，与传感控制器连接构成传感器网络。2.智能传感器：将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力。3.无线传感器网络：20世纪90年代，将网络和无线通信技术引入到传感器节点中，降低了网络部署成本，使得传感器节点不仅仅是感知单元，而变成了可交换信息、协同工作的网络有机体。无线传感器网络体系结构从器件上来看，这种节点集成了传感单元（由传感器和模/数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块、收发器等组成）以及电源等部分，有些节点还具有定位系统和移动系统。①中继：中继是两点间的一条传输信道，这两点通常是交换中心。中继线是承载多条逻辑链路的一条物理连接。随着科技发展，中继的概念不仅应用于无线通信中，网络通信交换机的trunk也可以称之为一种中继。图2-1无线传感器网络节点结构在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点①、互联网和用户界面等。传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制。无线传感器网络的特点总的来说：分布式控制、无中心和多跳②传输主要体现：1、节点数量庞大2、节点密集部署3、节点易于破坏（所处环境通常恶劣）4、网络拓扑结构③变化剧烈5、节点资源受限（为了降低成本导致的）6、节点不必具有全局ID（不用关心单个节点信息）7、以数据为中心（节点可随机部署，节点部署位置信息不是很重要）其典型应用有：军事应用、抢险救灾、环境监测、医疗保健等无线传感器网络协议栈网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。该网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术部分组成，如下表所示：①Sink节点：在无线传感器网络指汇聚结点，主要负责传感器网与外网（eg：gprs，internet等）的连接，可看作网关节点。②多跳：由发站到收站的传输，需经过多次卫星转发的方式。③网络拓扑结构：网络拓扑是网络形状，它的结构主要有星型结构、环形结构、总线结构、分布式结构、网状结构、蜂窝结构、树形结构等等。sink表1无线传感器网络协议分层的网络通信协议物理层数据链路层网络层传输层应用层传感器网络管理能量管理拓扑管理QOS支持网络管理网络安全移动控制远程管理应用支撑技术时间同步节点定位分布式协同应用服务接口分层的网络通信协议之物理层协议传输媒体：1.光通信2.红外通信3.无线电①通信：使用ISM（工业、科学、医学）频段，其中某些部分已经用于无绳电话和无线局域网②（WLAN）。两大难点：一是天线尺寸应为4左右，尺寸越小价格约昂贵，使用的频段越高；二是讲笑调制、滤波、解调的能耗。四种工作状态：发射、接收、空闲、休眠。分层的网络通信协议之MAC协议MAC协议③，即媒体访问控制子层协议。在网络协议中，数据链路层的媒体接入控制协议（MAC)协议直接控制无线通信模块的工作，建立点到点或者点到多点的通信链路，与传统的无线网络MAC协议不同，无线传感器网络的MAC协议要考虑节点功耗问题。传感器无线通信模块四种工作状态中，发送、接收和空闲这三个状态的节点功耗都很大，其中空闲侦听是无线传感器网络中最主要的无效功耗来源。表1MAC协议性能评价指标传统无线网络公平性传输延迟等无线传感器网络能量高效性可扩展性（针对不同应用环境）自适应性（针对可变的网络拓扑结构）①无线电：无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，是其中的一个有限频带，上限频率在300GHz（吉赫兹），下限频率较不统一②无线局域网：工作于2.5GHz或5.8GHz频段，以无线方式构成的局域网。利用RF射频技术，③Mac协议：MAC协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享。MAC机制主要分为两类：1基于竞争的协议2无竞争的信道协议。表2MAC协议分类根据信道数量单信道双信道多信道根据控制方式集中式控制分布式控制根据接入方式竞争型分配型混合型出于整体网络成本的考虑，近期研究中，单信道MAC协议为主流。典型的MAC协议：Sensor-MAC(S-MAC)、Timeout-MAC(T-MAC)、X-MAC、P-MAC、Data-gatheringMAC(D-MAC)、Berkeley-MAC(B-MAC)、Z-MAC等等。分层的网络通信协议之路由①协议无线传感器网络的特点使得众多传统固定网络与移动自组织网络的路由协议不能有效地应用于无线传感器网络，必须为传感器网络设计专用协议。无线传感器网络与其他网络的比较和为其设计专用协议所需考虑的方面如下表1和表2所示。表1无线传感器网络路由协议性能评价性能网络网络拓扑变化数据报文长度节点资源限制数据流分布以数据为中心移动自组织网络高长小不明显不明显无线传感器网络低短大地理位置相关明显表2无线传感器网络路由协议设计能量消耗单个节点功耗和功耗的节点平均分配节点或链路的异构性路由协议应充分利用不同能力的节点数据融合问题路由协议能分组汇聚类似节点以有效节能和数据传输优化算法的收敛性和复杂度考虑网络拓扑结构的变化，路由协议算法应快速收敛并尽量简单，占用少量存储空间动态性和扩展性适应网络结构变化①路由：工作在OSI参考模型第三层——网络层的数据包转发设备。路由器根据收到数据包中的网络层地址以及路由器内部维护的路由表决定输出端口以及下一跳地址，并且重写链路层数据包头实现转发数据包。路由器通过动态维护路由表来反映当前的网络拓扑，并通过网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护路由表。无线传感器网络路由协议分类大致可分为：能量感知路由、地理位置路由、QoS①路由、查询驱动路由、层次式路由和洪泛式路由计算机网络中的QoS分层的网络通信协议之传输层②协议无线传感器网络数据传输的特点：1.传感器网络大多选择免费的ISM频段且节点资源受限，使得网络传输误码率较高。2.数据流量树形分布，越靠近Sink网关③节点的区域发生拥塞的可能性越大。①QoS：（QualityofService）即服务质量。对于网络业务，服务质量包括传输的带宽、传送的时延、数据的丢包率等。②传输层：OSI层模型中负责数据通信的最高层，又是面向网络通信的低三层和面向信息处理的高三层之间的中间层。该层弥补高层所要求的服务和网络层所提供的服务之间的差距，是唯一负责总体的数据传输和数据控制的一层。传输层提供端到端的交换数据的机制，传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务，对网络层提供可靠的目的地站点信息。③网关：网关(Ga