万物互联：物联网核心技术与安全

《万物互联：物联网核心技术与安全》是资深物联网专家十余年研究结晶之作，深入浅出地分析了物联网的概念、特点和体系结构，较全面地介绍了物联网在各个层次上的关键技术及其应用空间。在此基础上探索了基于物联网技术的应用，并且展望了物联网安全的研究前景。

本书是资深物联网专家十余年研究结晶之作，深入浅出地分析了物联网的概念、特点和体系结构，较全面地介绍了物联网在各个层次上的关键技术及其应用空间。在此基础上探索了基于物联网技术的应用，并且展望了物联网安全的研究前景。
本书分 7章对物联网技术及其应用进行了相对完整的分析和介绍，是作者结合多年来信息领域理论研究基础，持续跟踪国内外物联网的发展，深入分析研究物联网理论、技术及其对相关领域的深刻影响而形成的探索性成果。第 1章和第 2章着重介绍了物联网的概念、特点和结构；第 3～ 6章根据物联网的结构分别论述了物联网的感知识别技术体系、网络传输技术体系、管理服务技术体系和综合应用技术体系，重点阐述了面向规模化应用的管理服务层和综合应用层；在这些物联网的整体认识和技术体系结构的基础上，在第 7章中论述了物联网安全。
本书可作为从事信息技术或者电子信息系统研究的科研管理人员、高等院校相关专业本科生或研究生的参考书籍，也可作为广大物联网及信息化爱好者的普及读物。

第0章 究竟什么是物联网 1
0.1 聪明的咖啡壶 1
0.2 植入的标签 2
0.3 不停车的 ETC 4
0.4 思考 5
0.5 安德的游戏 6

第1章 物联网的形成与发展 8
1.1 概念的形成 8
1.2 物联网与人类社会 10
1.3 物联网现阶段的定义 14
1.4 物联网概念的辨析 16
小结 20
参考文献 21

第2章 物联网的时代特征 22
2.1 物联网的六度连接 22
2.2 分层来看物联网 23
2.3 物联网的特征 27
2.4 物联网的热度分析 28
2.5 物联网的伦理与道德 31
2.5.1 谁动了我的数据 32
2.5.2 物联网秩序 33
小结 35

第3章 物联网的感知识别技术体系 36
3.1 标识技术 36
3.1.1 自动识别技术 36
3.1.2 RFID技术 38
3.1.3 EPC及其原理 43
3.1.4 EPC安全分析 48
3.2 传感器与传感器网络 56
3.2.1 传感器简介 56
3.2.2 常见的传感器 57
3.2.3 新颖的传感器 60
3.2.4 传感技术与应用 63
3.2.5 传感器网络 66
3.2.6 无线传感器反应网络 71
3.2.7 WSN安全分析 74
3.3 特征识别技术 75
3.3.1 生物特征识别简介 77
3.3.2 指纹和手形识别 77
3.3.3 面部识别 79
3.3.4 眼球与虹膜识别 81
3.3.5 行为和复合特征识别 82
3.4 交互技术 84
3.4.1 视觉的智能化 85
3.4.2 听觉的智能化 92
3.4.3 触觉的智能化 95
3.4.4 嗅觉与味觉的原理与应用 99
3.4.5 VR与 AR 110
3.5 位置感测技术 113
3.5.1 GNSS卫星定位 113
3.5.2 蜂窝网络定位与辅助GPS定位 116
3.5.3 节点定位 118
3.5.4 室内定位与 Beacon 120
3.5.5 IMES与“指纹定位” 122
3.5.6 本节小结 123
3.6 感测新技术 125
3.6.1 机器视觉 125
3.6.2 RGB-D 128
3.6.3 SLAM 131
3.7 异常发现技术 134
小结 138

第4章 物联网的网络传输技术体系 139
4.1 物联网的网络层 139
4.2 接入技术概述 141
4.2.1 有线接入 142
4.2.2 无线接入 144
4.3 庞大的 WLAN标准 145
4.3.1 IEEE 802.11标准 146
4.3.2 Ad hoc网络结构 147
4.3.3 WSN的接入方式 149
4.3.4 Wi-Fi与 IEEE 802.11p 152
4.3.5 Wi-Fi的物联网趋势 157
4.4 升级中的 IEEE 802.15.4系列 159
4.4.1 IEEE 802.15.4简介 159
4.4.2 ZigBee技术 162
4.4.3 蓝牙技术 166
4.4.4 Sub-GHz简介 168
4.4.5 其他技术与平台 169
4.5 支持 IPv6的 6LoWPAN 172
4.5.1 6LoWPAN概述 173
4.5.2 6LoWPAN参考模型 175
4.5.3 6LoWPAN架构 176
4.6 无线城域网简介 178
4.7 WBAN简介 181
4.8 正在崛起的 IPv6 183
4.8.1 IPv4的“短板” 184
4.8.2 物联网的地址困境 185
4.8.3 IPv6协议简述 187
4.8.4 IPv4、IPv6现有的过渡技术 191
4.8.5 IPv6在物联网中的出路 195
4.9 M2M技术 199
4.9.1 M2M概述 200
4.9.2 M2M的标准化 203
4.9.3 3GPP的 MTC业务 211
4.9.4 M2M优化与 NB-IoT部署 213
4.9.5 面向 5G的 M2M 229
4.9.6 M2M应用趋势 235
4.10 后来居上的 LPWAN 237
4.10.1 LPWAN的优势 238
4.10.2 LoRa 240
4.10.3 SigFox 241
4.10.4 NB-IoT 242
4.10.5 LPWAN标准全景 247
4.11 卫星通信与空间物联网 251
4.11.1 太空互联网 252
4.11.2 Helios计划 254
4.11.3 前景展望 255
小结 256
参考文献 256

第5章 物联网的管理服务技术体系 257
5.1 物联网中间件和机器人中间件 258
5.1.1 物联网中间件 259
5.1.2 信息采集中间件模型 271
5.1.3 应用支撑中间件模型 274
5.1.4 机器人中间件简介 277
5.2 物联网网格 279
5.2.1 物联网网格的特点 281
5.2.2 物联网网格与雾计算 285
5.2.3 物联网网格与工业 4.0 287
5.2.4 水平和垂直方向的网格 290
5.3 可穿戴计算 292
5.3.1 可穿戴计算的前生今世 292
5.3.2 可穿戴计算的定义 296
5.3.3 可穿戴计算与物联网 298
5.3.4 人体传感网络 BSN 303
5.4 云计算 305
5.4.1 云计算的主要特点 305
5.4.2 云计算的类型 306
5.4.3 云计算在物联网中的结合模式 307
5.5 雾计算 309
5.5.1 雾计算的来头 309
5.5.2 “物”的雾计算需求 312
5.5.3 雾的进一步探讨 315
5.6 车联网 317
5.6.1 车联网的起源 317
5.6.2 车联网技术 319
5.6.3 LBS安全中间件探讨 328
5.7 数字孪生 329
5.7.1 数字孪生概述 329
5.7.2 数字孪生的特点 331
5.7.3 数字孪生的应用 332
5.7.4 本节小结 335

第6章 物联网的综合应用技术体系 337
6.1 医 337
6.2 食 341
6.3 住 345
6.4 行 349
6.5 物流 351
6.6 能源 354
6.7 城市 362
6.8 农业 368
小结 371
参考文献 372

第7章 物联网安全 374
7.1 物联网安全的基石 377
7.1.1 物联网安全理念 377
7.1.2 物联网安全的内涵和外延 380
7.1.3 物联网安全的分层模型 382
7.2 物联网感知安全 383
7.2.1 感知安全技术 384
7.2.2 感知安全策略 387
7.3 物联网网络安全 391
7.3.1 网络安全技术 391
7.3.2 网络安全策略 393
7.4 物联网应用安全 399
7.4.1 物联网云安全技术 399
7.4.2 场景安全的策略 407
7.5 物联网安全的可持续性 418
小结 420

附录 值得关注的网站 422
后记 424

前 言
人类的进步源于对美好生活的向往和不懈追求。先来看本书中的几个关键词：物联网秩序、5G、LPWAN、NB-IoT、雾计算、可穿戴技术、物联网安全。这些不断推陈出新的概念刻画着物联网的发展和人类的未来。
物联网（Internet of Things，IoT）被称为继计算机、互联网和移动通信网络之后的第三次信息技术革命，其广阔的应用前景受到了世界各国的高度关注。物联网是普遍联系的网络，是基于互联网、电信网等信息网络的承载体，可以视为互联网的延伸和升级。物联网技术是蓬勃发展的技术，在信息技术发展和物联网应用的推进中，人类对外在物质世界的感知信息都将被纳入到一个融合了现在和未来的各种网络——物联网之中。毋庸置疑，人和物正在紧密地联系在物联网中。
物联网被称为全球下一个万亿美元级规模的新兴产业之一。据美国咨询机构FORREST-ER 2015年预测，2016年全球将会使用64亿个物联网（IoT）设备，而在2020年，这些种类将极大丰富的设备数量可能达到500亿台。
2020年，世界上物与物互联的业务跟人与人通信的业务相比，将达到30∶1，物联网产业的发展潜力不容小觑。EPoSS观察认为：物联网的发展在经历技术日益成熟，并被广泛应用于物流、零售和制药领域，“物”的整合并互联之后，物体将于2015—2020年进入半智能化，对象能进行交互；2020年之后物体将实现全智能化及对象个性化。
我国物联网市场规模从2013年的4896亿元到2015年的7500亿元，根据IT和通信业的研究机构贝叶思发布的报告，按照近五年约30%的年复合增速来看，2018年前后物联网市场规模将超过1.5万亿元。经过近几年的努力，我国公众网络机器到机器(M2M)连接数已突破1亿，占全球总量的31%，成为全球最大市场。工业与信息化部也在2017年编制的新版《电信网编号计划》中增加了物联网网号。电信运营商们正在努力推动M2M在物联网上的应用，华为等ICT领域的企业正在作为NB-IoT的急先锋，用行动丰满着广域低功耗物联网接入的标准。根据工业和信息化部发布的物联网2016—2020年发展规划，到2020年，将基本形成具有国际竞争力的物联网产业体系，包含感知制造、网络传输、智能信息服务在内的总体产业规模将突破1.5万亿元，公众网络M2M连接数将突破17亿，并打造10个具有特色的产业集聚区。
物联网的发展和实践是科学技术发展的必然，也是人类不断追求自由和美好生活的远景。进入21世纪，物联网运用新一代IT技术把物和各种形态的网络相连，形成普遍连接的新型网络，它实现了人类社会与物理系统的深度融合，极大方便了人类的生产和生活。人类未来将能够借助物联网，以更加精细和动态的方式管理生产和生活。可以发现，物联网正在给人们的生活方式带来革命性的变化，同时也正推动着新的生产力形式的变革，将人与自然界中的各种物质紧密连接在一起。
按照信息获取、传输、处理和应用的原则，从物联网技术体系角度来看，物联网普遍被认为是四层结构。本书详细分析了物联网的概念和特点，以及物联网技术的感知识别层、网络传输层、管理服务层和综合应用层的体系结构，介绍了物联网在各个层次上的关键技术及其应用空间。在此基础之上，探索了基于物联网技术的应用，展望了物联网安全的研究前景。
书中前两章着重介绍了物联网的概念、特点和结构。中间四章根据物联网的四层结构分别论述了物联网的感知识别层技术体系、网络传输技术体系、管理服务技术体系和综合应用技术体系。物联网各层之间既相对独立又紧密联系，各层之间都有相应的中间件作为上下联系，重点放在应用层介绍。在这些物联网的整体认识和技术体系结构的基础上，于第7章论述了物联网安全。
在本书的写作过程中，感谢“大成”同学和“小秦”同学关于科普而不失严谨的写作风格建议。感谢海西物联网研究院，特别是张全升院长在谋篇布局中的建设性意见，感谢中山大学电子与通信工程学院陈曾平院长给予的指点和帮助。
方滨兴院士，周东方、徐昕、李建成、袁乃昌、张春华、侯德亭、王宏义、胡涛教授，吴建飞博士后和杨奋燕硕士、李震硕士、米亚岚硕士、赵喆硕士在本书结构的确定和内容校对等方面给予了帮助；广东省新一代通信与网络创新研究院、湖南时变通讯科技有限公司、武汉芯泰科技有限公司，特别是芯泰科技的夏光董事长，在信息的提供、资料收集等方面提供了支持，作者在此表示诚挚的感谢。还要感谢清华大学出版社的大力支持，特别是秦健编辑的积极协助与高效沟通，使本书能够尽早与读者见面。
本书中大量引用了互联网上世界范围的最新资讯和报刊报道，在此一并向原作者和刊发机构致谢，对于不能一一注明引用来源深表歉意。
由于作者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请读者不吝指正。
宋航